ปริศนา ความสมมาตรในธรรมชาติ
หลุมดำ (Black hole) บทที่ 1 หลุมดำมีทางออกเสมอ
หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1: หลุมดำมีทางออกเสมอ
เมษายน 23, 2019
ทฤษฎีสมคบคิด การค้นพบมนุษย์ต่างดาว ของ อะพอลโล 20 (ลวงโลก)
ทฤษฎีสมคบคิด การค้นพบมนุษย์ต่างดาว ของ อะพอลโล 20 (ลวงโลก)
เมษายน 29, 2019
ปริศนา ความสมมาตรในธรรมชาติ

© Beautiful Snowflake/ Alexey Kljatov

ความสมมาตร เราสามารถพบเจอได้บ่อยครั้งในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต โดยสัตว์ส่วนมากจะถือกำเนิดขึ้นมาในลักษณะของความสมมาตรซ้ายขวา หรือที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า ‘ความสมมาตรกระจก’ (Mirror symmetry ) ซึ่งอยู่ในส่วนย่อยของ ‘การสะท้อนกลับแบบสมมาตร’ (Reflection symmetry) โดยมีหลักการง่ายๆคือ หากเราพับสิ่งใดๆก็ตาม แล้วไปส่งผลทำให้สิ่งๆนั้นได้เกิดแกนขึ้น ที่ไปแบ่งให้เกิดความสมมาตรมากกว่า 1 แกนเราจึงถือว่าสิ่งๆนั้นคือรูปแบบของ Reflection symmetry เช่นจากรูปตัวอย่างนี้ จะเห็นว่า รูป 1 ถึง 3 เมื่อพับแล้วมันก็จะเกิดแกน ที่ไปแบ่งให้ให้มันความสมมาตรในแต่ละด้าน ในขณะที่รูปสุดท้าย ไม่ว่าเราจะพับยังไม่มันก็ไม่เกิดแกนของความสมมาตรได้เลย

รูปที่ 1) การพับที่ไ่ปแบ่งให้เกิดแกน (© Wikipedia/ Dbc334)

แล้วมีสิ่งมีชีวิตใดบ้างในธรรมชาติที่เราจะสามารถพบเห็นได้ในความสมมาตรประเภทนี้? ซึ่งคำถามนี้ก็ต้องบอกได้เลยว่ามีเยอะมาก ไล่เรียงมาตั้งแต่ใบไม้ของพืช ดอกไม้บางดอก เช่นดอกกล้วยไม้ชนิดต่างๆ

รูปที่ 2) ดอกแวนด้าแสดงให้เห็นถึงความสมมาตรซ้ายขวา (© Wikipedia/ José Manuel López Pinto)

และบ่อยครั้งเลยที่พืชส่วนมากมักปรากฎให้เห็นในลักษณะของการแตกออกเป็นแฉกๆ หรือความสมมาตรของการหมุน ที่เรียกว่า ‘โลเทชันแนล ซิมเม็ททรี’ (rotational symmetry) เช่นดอกไม้บางดอกเราจะเห็นได้ในโครงสร้างลักษณะนี้ แบบว่ามันจะมีจุดศูนย์กลาง และก็มีเส้นเขตรัศมีอยู่ แล้วสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ก็จะพยามเติบโตขึ้นในกรอบของวงกลมนี้ ซึ่ง ‘โลเทชันแนล ซิมเม็ททรี’ หากเราเจาะลึกลงไปอีกก็จะพบว่ามันมีประเภทย่อยต่างๆอีก ที่เรียกว่า ความสมมาตรการหมุนแบบ Cn (หรือเรียกง่ายๆว่า C) เช่น ความสมมาตรการหมุนแบบ C2 ซึ่งลักษณะการหมุนก็คือ มันจะหมุนครึ่งรอบและทำมุม 180องศา รูปแบบนี้เรามักจะพบเห็นบ่อยใน ‘ดับเบิล เพนดูลัม’ (Double pendulum) หรือการแกว่งไปมาของลูกตุ่ม2ชั้น ต่อไปก็แบบ C3 ที่จะมีการหมุนทำมุมในลักษณะ 3 ส่วนของมุมวงกลม หรือ 120 องศา โดยในแบบนี้จะทำให้เราเห็นรูปร่างที่เป็น 3 เหลี่ยมซึ่งเรามักจะพบเห็นบ่อยในงานออกแบบป้ายจราจร ถัดไปก็แบบ C4 ที่มีการหมุนเพิ่มขึ้นอีก1ขั้นในมุม 90 องศา โดยในรูปนี้เราจะเห็นลวดลายในแบบ 4 เหลี่ยม เช่นในสัญลักษณสวัสดิกะของชาวฮินดู ถัดมาก็ความสมมาตรการหมุนแบบ C5 ซึ่งจะมีการหมุนทำมุม 72 องศา พบเห็นได้ในสิ่งมีชีวิตจำพวกดาวทะเล รวมถึงผลไม้บางชนิดเช่น มะเฟือง หรือ  และสุดท้ายความสมมาตรการหมุนแบบ C6 ที่มีการหมุนทำมุม 60 องศา ก็เช่นกัน ที่เราจะสามารถพบเห็นรูปแบบในนี้ดาวทะเลประเภท 6 ขา นอกจากนี้แล้วยัง มีความสมมาตรการหมุนใน C แบบอื่นๆอีกนเช่น C7, C8, C9 ไปเรื่อยๆ (อันนี้ข้อสังเกตเลยจะเห็นได้ว่า ยิ่งเลข C มีจำนวนมากขึ้นเท่าไหร่มุมองศาการหมุนก็จะยิ่งลดลง และก่อให้เกิดรูปทรงที่ใกล้เคียงกับวงกลมมากขึ้น)

โดยสรุปสำหรับความสมมาตรแบบหมุน จะสามารถพบได้ในพืช ดอกไม้ และสิ่งมีชีวิตในไฟลัม อิไคโนเดอร์เมทา (Echinodermata) เช่นจำพวกดาวทะเล(starfish), เม่นทะเล (sea urchins) และ พวกไครนอยด์ (Crinoid) เช่น พลับพลึงทะเล หรือ ดาวขนนก

Red-knobbed starfish
รูปที่ 3) ดาวทะเลปุ่มแดง (Red-knobbed starfish) ที่แสดงให้เห็นถึงความสมมาตรการหมุนแบบ C5 © Wikipedia

ความสมมาตรที่พบได้ในสิ่งไม่มีชีวิต

นอกเหนือไปจากความสมมาตรที่พบได้ในสิ่งมีชีวิตแล้ว เราก็ยังสามารถพบเห็นมันได้ในสิ่งที่ไม่มีชีวิตอีกด้วย เช่น เกล็ดหิมะ ที่มันมีความสามมาตรโดดเด่นของแกนพับในแบบ6ด้าน (หรือ C6) และมีการก่อตัวของผลึกที่ยื่นออกมาในแต่ละด้านคล้ายกัน โดยโครงสร้างและขนาดของมันจะผันแปรไปตามอุณหภูมิและความชื้นเป็นหลัก เช่น ที่อุณหภูมิ ระหว่าง 0 ถึง -3.5 องศาเซลเซียส หากพื้นที่บริเวณนั้นมีความชื้นสูงจนไปทำให้ความอิ่มตัวของน้ำที่มาก ลักษณะของเกล็ดหิมะก็จะเป็นแผ่นเล็กๆที่มีความหนากว่า ขณะบริเวณอากาศที่มีความอิ่มตัวของน้ำที่น้อย เกล็ดหิมะก็จะก่อตัวในลักษณะของแผ่นบางๆที่แตกสายใยออกมาในแต่ละด้านที่เรียกว่า เดนไดรต์ (Dendrite) แต่หากสภาพอากาศมีความเย็นอยู่ในระหว่าง -3.5 ถึง -20 องศาเซลเซียส ที่ความเย็นระดับนี้ เกล็ดหิมะจะมีลักษณะโครงสร้างเป็นทรงปริซึมฐานหกเหลี่ยมหากอากาศแถวนั้นมีความอิ่มตัวของน้ำมาก กลับกันเกล็ดหิมะจะมีลักษณะเป็นเส้นกลวงหากความอิ่มตัวของน้ำหรือความชื้นในอากาศค่อยๆน้อยลงไป

รูปที่ 4) ตารางแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าความอิ่มตััวในความชื้่น และอุณหภูมิ ของเกล็ดหิมะ ที่แสดงให้เห็นรูปร่างที่แตกต่างกันไป (ภาพจาก physicsworld)

ความสมมาตรที่พบได้ในสิ่งไม่มีชีวิตอีกแบบหนึ่งก็คือคริสตัล Crystal โดยทั่วไปแล้วคริสตัล จะมีความหลากหลายเอามากๆ ทั้งในรูปแบบความสมมาตร รวมถึงพฤติกรรมของมัน เช่นมันอาจก่อตัวขึ้นในรูปทรงของลูกบาศก์ หรือทรงแปดหน้า (octahedron) ก็ได้ แต่จะมีข้อสังเกตอีกอย่างก็คือคริสตัลที่แท้จริง จะไม่ปรากฎพบเห็นในลักษณะของแกนพับ 5 แกน หรือความสมมาตรการหมุนแบบ C5 (ที่ผิวหน้า) ยกเว้น ‘ควอซีคริสตัล’ (quasicrystals) ที่เป็นรูปแบบของแข็งกึ่งผลึกซึ่งจะขาดความสมมาตรในการเคลื่อนที่

รูปที่ 5) ควอซีคริสตัลหลายเหลี่ยมของสารประกอบธาตุโฮลเมียม Holmium (Ho) – แมกนีเซียม และ สังกะสี ( Ho-Mg-Zn ) ก่อตัวกันเป็นทรงสิบสองหน้า (© AMES lab., US Department of Energy)

จะเห็นได้ว่าความสมมาตรแบบการหมุนในธรรมชาตินั้น สามารถพบได้ทั้งจากในสิ่งเล็กๆเช่นเกล็ดหิมะ คริสตัล ลักษณะการกระจายของหยดน้ำที่คล้ายกับมงกุฎ หรือในสิ่งมีชีวิตเช่นดาวทะเล ไปจนถึงในระดับใหญ่ๆในอวกาศได้ เช่นรูปทรงกลมของดาวเคราะห์ ลวดลาย6เหลี่ยมของเมฆบริเวณขั่วเหนือของดาวของดาวเสาร์ (Saturn’s hexagon) และลวดลายในวงแหวนของดาวเสาร์

รูปที่ 6) ลวดลาย 6 เหลี่ยมของเมฆบริเวณขั่วเหนือของดาวของดาวเสาร์ ที่ถ่ายได้จากยานอวกาศ Cassini โดภาพซ้ายถ่ายไว้ในปี ค.ศ. 2013 และขวาถ่ายในปี ค.ศ. 2017 (© NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Hampton University)

สรุป

ความสมมาตรในธรรมชาตินั้นมีสาเหตุหลายประการเลย เช่นความสมมาตรแบบรัศมี มักพบได้ในสิ่งมีชีวิตอย่าง ดอกไม้ทะเล (sea anemones) ที่โตแล้วมักไม่มีการเคลื่อนที่ และคอยดักกินเหยื่อเช่นปลาบางชนิดเป็นอาหาร

แต่ขณะที่สิ่งมีชีวิต ที่มีการเคลื่อนที่ทางเดียวส่วนมากนั้น จำเป็นต้องมีร่างกายของส่วนบนและส่วนล่าง รวมถึงการมีหัวพร้อมกับปิดท้ายด้วยหาง ซึ่งส่วนหัวของสัตว์ที่มีการเคลื่อนไหว มักมาพร้อมกับหัวที่มีความเป็นพิเศษนั่นก็คือการมีปาก มีอวัยวะรับสัมผัส เช่นหนวดกุ้ง หนวดมด และโครงสร้างร่างกายภายนอกก็จะมีการแบ่งความสมมาตรซ้ายขวาอย่างเห็นได้ชัดเจน (ซึ่งอวัยวะภายในร่างกายบางส่วนอาจไม่จำเป็นต้องสมมาตรก็ได้ เช่นหัวใจของคนที่จะมีตำแหน่งเคลื่อนขึ้นมาทางซ้ายหน่อยนึง หรือกระเพราะอาหารกับตับที่อยู่กันคนละฝั่งกัน เป็นต้น)

ในขณะที่สิ่งมีชีวิตในไฟลัม ‘อิไคโนเดอร์เมทา’ (Echinodermata) เช่นจำพวกดาวทะเล (starfish), เม่นทะเล (sea urchins) และ พวกไครนอยด์ (Crinoid) จะเริ่มมีความซับซ้อนของรูปร่างมากขึ้น ที่พบว่านอกจากพวกมันจะมีความสมมาตรซ้ายขวา (bilateral symmetry) แล้ว พวกมันความสมมาตรแบบหมุนอีกด้วย หรือง่ายๆก็คือมันมีความสมมาตร เวลาเราพับมันแล้วจะพบแกนมากกว่า 2 แกนขึ้นไป  ซึ่ง ดร.Colin D. Sumrall และ ดร.Gregory A. Wray นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองให้เหตุผลว่า ที่เกิดรูปร่างในลักษณะนั้นมีสาเหตุมาจาก ทั้งการที่บรรพบุรุษของมันได้สูญเสียความสมมาตรแบบเก่าไป และความพยายามในการปรับตัว หรือวิวัฒนาการเพื่อความอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่มีความหลากหลายของระบบนิเวศนั้นๆ

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *

Facebook
กลับสู่บนสุด